浅谈如何提高Superpave沥青混合料矿料间隙率

卢文锋 杨爱民

Superpave沥青混合料设计体系的核心是设计集料特性以及体积特性。如果能满足这两种特性，则最终设计出的沥青混合料应具备以下特点:具有足够的骨架以抵抗永久变形;具有足够的沥青结合料以抵抗疲劳及老化变形;具有足够的空隙率以防止塑性变形及永久变形。

1 问题的提出

Superpave沥青混合料设计中经常遇到如何设计出足够的VMA，这种问题混合料的典型表现是:VMA较低以及对级配变化不敏感。例如:最大公称粒径19 mm的沥青混合料要求的最小VMA是13%。如果研究者总是在禁区下进行混合料设计，就会发现所有试验的混合料估计的VMA都在12%以下。进一步研究还会发现若在禁区下允许的范围内变化级配，则VMA始终徘徊在12%左右，怎么也达不到13%。虽然掺加一定量的砂子将会推开集料，增加VMA。但是若试验的混合料在限制区内时，VMA不满足又会怎么样，怎样去做。

首先，设计者应该意识到集料颗粒的压实特性及VMA与以下几个因素有关:集料级配、集料表面构造、集料形状。

Superpave混合料设计中有两个矛盾:1)集料间的空隙必须被最低数量的沥青结合料所填充;2)集料必须有较强的骨架结构以抵抗车辆荷载。Superpave规范要求在尽量不削弱集料骨架的前提下获得足够的VMA。因此笔者认为可以从以下几个方面考虑提高Superpave沥青混合料的VMA。

1.1 级配影响

1)降低通过0.075 mm筛的含量。减少混合料中细料含量将增加VMA。这一变化虽然不完全是由级配变化引起的，然而，不可否认降低0.075 mm含量对VMA具有较大的影响。将细料含量降低到规范要求的最小值，将会使VMA值达到最大。如果细料含量来源于矿质填料，那么调整级配仅仅是减少所用细料含量的问题。如果细料大多数来源于某一粒径，那么应该尽量减少那一粒径集料的用量。如果人工集料在混合之前仅仅进行过筛分，那么有必要对它们进行水洗或者重新进行水洗筛分。但是在采用这些方法之前，应该先试试别的容易提高VMA的方法。如果在混合料中掺加石屑，那么一定要添加除尘石屑。石屑将降低生产出的混合料的VMA。如果用的是易碎集料，那么设计中就应考虑将会产生更多的细料，因为这些易碎集料在施工过程中容易产生更多的粉料。在混合料中应用除尘石屑将使设计更精确，从而降低从设计到生产过程中VMA的折减率。2)采用间断级配。尽量使混合料形成间断级配。如果能减少两个筛孔之间的集料数量，则混合料将具有较高的VMA。这一原因同密实度有关。较小的颗粒填充较大颗粒间的空隙。采用间断级配后粗集料的数量增加，紧挨着的下两个粒径之间的集料数量减少，所以混合料不可能被压实紧密，故VMA提高。3)重新筛分料堆。如果料堆中集料尺寸范围比较广，则有必要对集料料堆进行重新筛分，并按不同的比例重新混合。例如:某一工程中用移动式拌和机进行拌和，则用于该工程的集料砾石坑就会被压碎，集料可能被压碎成不同粒径。如果在混合料设计时骨架结构已经存在，则一个可行的办法就是必须重新在9.5 mm筛孔上进行筛分，砂子含量可能会增加。混合料设计中不可能用集料坑里出现的所有砂子。如果混合料设计用的是人工集料，很显然在设计中不同粒径用不同的比例是很有必要的。如果VMA不可能通过某一类料堆来获得，则可以选择对它们进行重新筛分，而这种方法比较容易实现。

1.2 表面结构影响

在标准压实功条件下(假定在设计旋转压实次数下)，混合料将难以被压实，所以这种混合料将会具有较高的VMA。典型的压碎面比非压碎面具有更多的纹理构造，砾石集料情况下，具有压碎面的颗粒越多，越能获得更多的表面构造。通常情况下，颗粒压碎程度越大，表面纹理也越多，但也并非一直如此。因为一些集料的破裂面非常光滑以至于压碎时不可能增加表面构造。

1.2.1 增加人工砂的含量

如果在混合料设计中，使用人工砂和天然砂，那么增加人工砂的含量能够增加表面构造。当使用棱角性好的人工砂替换20%天然砂时，将会使VMA提高2%。什么才是棱角性好的人工砂，好的啮合力，也就是抓起一把砂子，感受一下颗粒之间互相啮合的感觉，如果感觉砂子颗粒之间摩擦的比较厉害，那么这种砂子的锯齿结构就比较好。

应当意识到，用添加细料的方法来增加表面纹理结构也可能引起其他负面的影响。如果天然砂比较干净，而人工砂中小于0.075 mm的粉料含量比较大，由于增加了粉尘就难以增加表面构造。

1.2.2 增加压碎点

粗集料的表面构造能够通过增加压碎点来提高，尤其是两面压碎的颗粒。

1.3 颗粒形状的影响

对于任意给定的级配，集料颗粒压实的密实程度受颗粒形状的影响。立方体颗粒比扁平颗粒难压实。在旋转压实情况下(模拟荷载条件)，扁平颗粒成平铺，一个叠在另一个的上面。因此在它们之间是没有空隙的，故VMA较低。

在荷载作用下，颗粒被平铺，并发生颗粒滚动。同样，在旋转压实条件下也会发生这种平铺。然而在马歇尔压实条件下集料颗粒并不会自由滚动。事实上在马歇尔试模里，扁平细长颗粒起到“桥接”作用，因此马歇尔试件具有较高的VMA。因此当比较马歇尔试件及Superpave试件体积特性时，应当意识到这些颗粒形状的影响。

如果混合料设计出的VMA较低，则应检查扁平细长颗粒含量。Superpave规范将扁平细长颗粒含量限制在5∶1，扁平细长颗粒含量最好不超过3∶1或2∶1。

如果扁平细长颗粒含量较高，假如高于40%，则应尽可能添加具有较低扁平细长颗粒含量的粗集料。有可能通过用另一种立方体集料来替换粗集料骨架中的一种集料来实现。添加立方体形状的中间尺寸的粗集料将打破较大颗粒的平铺的特性，即就是打破一个叠加在另一个的上面，这样将增加VMA。

2 结语

获得足够的VMA是Superpave沥青混合料设计中比较重要的部分。VMA仅仅是其中的一个参数，集料骨架结构是另一个参数。对于Superpave沥青混合料设计者来说最大的困难就是如何获得合适的VMA而又不削弱集料骨架结构，在工程实践中可以借鉴上述介绍的提高沥青混合料VMA的方法。

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